JP7543161B2

JP7543161B2 - アルミニウム合金押出材

Info

Publication number: JP7543161B2
Application number: JP2021025553A
Authority: JP
Inventors: 健太郎伊原; 大晃福田; 隆広志鎌; 伸二吉原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2024-09-02
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: JP2022127410A

Description

本開示はアルミニウム合金押出材に関する。

従来、フレーム材に用いられるアルミニウム部材として、高強度の６０００系アルミニウム合金押出材が主に使用されてきた。しかし、６０００系アルミニウム合金は焼入れ感受性が高く、焼入れによって歪が生じやすいために、精度が要求される部材への適用は難しい。そこで、応力腐食割れの問題があるものの焼入れ感受性が低い７０００系アルミニウム合金のフレーム材への適用が試みられている。

特許文献１には、合金組成等を制御することにより耐応力腐食割れ性に優れた７０００系アルミニウム合金部材の製造方法が開示されており、具体的にはクロム酸促進法による耐応力腐食割れ試験を行って、割れが少なくとも１２時間発生しないアルミニウム合金部材が開示されている。

特許文献２には、合金組成等を制御することによりＴ６処理材の強度と靭性、金属組織及び耐応力腐食割れ性を改善したＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系合金押出材（すなわち７０００系アルミニウム合金押出材）とその製造方法が開示されており、具体的にはクロム酸促進試験により、割れが１２時間発生しない合金押出材が開示されている。

特開２０１７－２１４６５６号公報特開平１０－３０１４７号公報

しかしながら、特許文献１および２に開示されるような従来技術では、クロム酸促進試験を１２時間超行った場合に割れが発生するおそれがあることがわかり、耐応力腐食割れ性に更なる改善の余地があることがわかった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、フレーム材として十分な強度にでき、かつ耐応力腐食割れ性が改善されたアルミニウム合金押出材を提供することである。

本発明の態様１は、
成分組成が、
Ｚｎ：３．０～６．０質量％、
Ｍｇ：０．４～１．４質量％、
Ｆｅ：０．０５～０．２質量％、
Ｃｕ：０．０５～０．２質量％、
Ｔｉ：０．００５～０．２質量％、
Ｚｒ：０．１～０．３質量％、および
残部：Ａｌおよび不可避不純物からなり、
Ｚｎ／Ｍｇの質量比が２．９２～４．３５または８．９４～９．１２である、アルミニウム合金押出材である。

本発明の態様２は、
前記Ｚｎ／Ｍｇの質量比が３．１５～４．００である、態様１に記載のアルミニウム合金押出材である。

本発明の態様３は、
耐力が２６０ＭＰａ以上である、態様１または２に記載のアルミニウム合金押出材である。

本発明の態様４は、
前記耐力が２７０ＭＰａ以上である、態様３に記載のアルミニウム合金押出材である。

本発明の実施形態によれば、フレーム材として十分な強度にでき、かつ耐応力腐食割れ性が改善されたアルミニウム合金押出材を提供することが可能である。

図１は、Ｚｎ／Ｍｇの質量比に対する、耐力の関係を示すグラフである。図２は、Ｚｎ／Ｍｇの質量比に対する、クロム酸促進試験による割れ寿命の関係を示すグラフである。

本発明者らは、フレーム材として十分な強度にでき、かつ耐応力腐食割れ性が改善されたアルミニウム合金押出材を実現するべく、様々な角度から検討した。その結果、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＴｉおよびＺｒを必須で含み、それらの含有量を所定範囲に制御するとともに、Ｚｎ／Ｍｇ質量比を２．９２～４．３５または８．９４～９．１２という非常に狭い範囲に限定することにより、フレーム材として十分な強度にでき、かつ耐応力腐食割れ性が改善されたアルミニウム合金押出材を実現できることを見出した。

以下に、本発明の実施形態が規定する各要件の詳細を示す。

本発明の実施形態に係るアルミニウム合金押出材は、成分組成が、Ｚｎ：３．０～６．０質量％、Ｍｇ：０．４～１．４質量％、Ｆｅ：０．０５～０．２質量％、Ｃｕ：０．０５～０．２質量％、Ｔｉ：０．００５～０．２質量％、Ｚｒ：０．１～０．３質量％を含み、さらに、残部がアルミニウムおよび不可避不純物であることが好ましい。また、Ｚｎ／Ｍｇの質量比が２．９２～４．３５または８．９４～９．１２である。
以下、各元素について詳述する。

（Ｚｎ：３．０～６．０質量％）
Ｚｎは、Ｍｇと共にアルミニウム合金押出材の強度を向上させる元素である。Ｚｎ含有量が３．０質量％未満では電池パックフレーム（バッテリーフレームとも称する）などのフレーム材として必要な耐力２６０ＭＰａ以上が得られない。一方、Ｚｎ含有量が６．０質量％超だと耐応力腐食割れ性および一般耐食性が低下する。よって、Ｚｎの含有量は３．０～６．０質量％とする。

（Ｍｇ：０．４～１．４質量％）
ＭｇはＺｎと共にアルミニウム合金押出材の強度を向上させる元素である。Ｍｇ含有量が０．４質量％未満では電池パックフレームなどのフレーム材として必要な耐力２６０ＭＰａ以上が得られない。一方、Ｍｇ含有量が１．４質量％超だと、押出圧力の増大に伴い押出性が低下するとともに伸びも低下する。よって、Ｍｇの含有量は０．４～１．４質量％とする。

（Ｆｅ：０．０５～０．２質量％）
Ｆｅはアルミニウム合金の主要な不可避不純物であり、アルミニウム合金押出材の諸特性を低下させないため、０．２質量％以下とする。一方、アルミニウム合金押出材中のＦｅを０．０５質量％未満に低減することはコスト面の負担が大きい。よって、Ｆｅ含有量は０．０５～０．２質量％とする。

（Ｃｕ：０．０５～０．２質量％）
Ｃｕはアルミニウム合金押出材の強度を向上させる元素である。Ｃｕ含有量が０．０５質量％未満では十分な強度向上効果が無く、一方、０．２質量％超だと押出性の低下を招く。よって、Ｃｕ含有量は０．０５～０．２質量％とする。

（Ｔｉ：０．００５～０．２質量％）
Ｔｉは、押出材の成形性を向上させる作用があり、０．００５質量％以上を添加する。一方、０．２質量％超だとその作用が飽和し、粗大な金属間化合物が晶出して破壊の起点になりうるため機械的性質が低下する。よって、Ｔｉ含有量は０．００５～０．２質量％とし、好ましくは０．００５～０．１質量％とし、より好ましくは０．００５～０．０５質量％とする。

（Ｚｒ：０．１～０．３質量％）
Ｚｒはアルミニウム合金押出材の再結晶を抑制して、耐応力腐食割れ性を向上させる作用がある。Ｚｒの含有量が０．１質量％未満では前記効果が十分ではなく、０．３質量％超だと押出性が低下し、さらに焼入れ感受性を高めて強度低下を招く。よって、Ｚｒ含有量は０．１～０．３質量％とする。

本発明の実施形態に係るアルミニウム合金押出材は、上記の成分組成を含み、本発明の１つの実施形態では、残部はアルミニウムおよび不可避不純物であることが好ましい。不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容される。なお、例えば、Ｆｅのように、通常、含有量が少ないほど好ましく、従って不可避不純物であるが、その組成範囲について上記のように別途規定している元素がある。このため、本明細書において、「不可避不純物」という場合は、別途その組成範囲が規定されている元素を除いた概念である。
不可避不純物としては、Ｍｎ、ＳｉおよびＣｒなどが挙げられ、ＭｎおよびＣｒを除くものについては、単体で０．０５質量％以下とすることが好ましい。Ｃｒについては、Ｃｒ含有量が多いと押出工程において焼き付きが発生しやすくなるため、０．１２質量％以下とすることが好ましい。また、Ｍｎについては、Ｍｎ含有量が多いと押出圧力を増大させて押出性を低下させるおそれがあるため、０．０５質量％未満とすることが好ましい。また、不可避不純物は総量で０．２０質量％以下することが好ましい。

（Ｚｎ／Ｍｇの質量比が２．９２～４．３５または８．９４～９．１２）
本発明者らは、Ｚｎ／Ｍｇの質量比が耐力に影響することを見出した。図１にＺｎ／Ｍｇの質量比に対する耐力の関係を示し、ドットパターンで示される領域は耐力が２６０ＭＰａ以上である領域を示す。図１からわかるように、Ｚｎ／Ｍｇ質量比が５付近では、Ｚｎ／Ｍｇ原子比（モル比）がＭｇＺｎ_２の組成比である２付近となり、その場合に耐力が最大となる。換言すると、Ｚｎ／Ｍｇ質量比が約５の場合を基準として、高Ｚｎ／Ｍｇ比側および低Ｚｎ／Ｍｇ比側では耐力が低下し、Ｚｎ／Ｍｇ質量比が２．９２～９．１２であれば、電池パックフレームなどのフレーム材として十分な強度（耐力２６０ＭＰａ以上）にでき、Ｚｎ／Ｍｇ質量比が３．１５～８．３２であれば、より高強度（耐力２７０ＭＰａ以上）にできる。
さらに、本発明者らは、Ｚｎ／Ｍｇの質量比が耐応力腐食割れ性にも影響することを見出した。図２にＺｎ／Ｍｇの質量比に対する、耐応力腐食割れ性を指標となるクロム酸促進試験による割れ寿命の関係を示し、ドットパターンで示される領域は割れ寿命が１２．５時間以上である領域を示す。図２からわかるように、Ｚｎ／Ｍｇの質量比が４．３５以下と小さいか、または８．９４以上と大きい場合に、クロム酸促進試験による割れ寿命が１２．５時間以上となって耐応力腐食割れ性を改善でき、Ｚｎ／Ｍｇの質量比を４．００以下または９．７４以上とすることにより、クロム酸促進試験による割れ寿命が１４時間以上となって耐応力腐食割れ性をさらに改善できる。
そして、Ｚｎ／Ｍｇの質量比を２．９２～４．３５または８．９４～９．１２とすることにより、フレーム材として十分な強度（例えば、強度の１つの指標である耐力（０．２％耐力）が２６０ＭＰａ以上）にできるとともに、耐応力腐食割れ性が改善された（具体的にはクロム酸促進試験による割れ寿命が１２．５時間以上の）アルミニウム合金押出材を実現した。なお、Ｚｎ／Ｍｇの質量比について、「８．９４～９．１２」の範囲よりも「２．９２～４．３５」の範囲の方が高い耐力で耐応力腐食割れ性が高まるため、Ｚｎ／Ｍｇの質量比は「２．９２～４．３５」とする方が好ましい。さらに、耐力２７０ＭＰａ以上にできるとともに、クロム酸促進試験による割れ寿命が１４時間以上のアルミニウム合金押出材を得るために、Ｚｎ／Ｍｇ質量比を３．１５～４．００とすることが好ましい。

本発明の実施形態に係るアルミニウム合金押出材は上記のような化学成分組成を有していればよく、押出材の形状等も特に制限されない。また、本発明の実施形態に係るアルミニウム合金押出材の製造方法は、本発明の目的を達成する上で特に制限されず、公知の方法で製造することができる。

本発明の実施形態に係るアルミニウム合金押出材は、一般的な人工時効処理によって、耐力を２６０ＭＰａ以上にできる。より好ましくは耐力が２７０ＭＰａ以上であることである。また、一般的な人工時効処理後の引張強度は３３０ＭＰａ以上であることが好ましく、一般的な人工時効処理後の伸びは１０％以上であることが好ましく１１％以上であることがより好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明の実施形態をより具体的に説明する。本発明の実施形態は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述および後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の実施形態の技術的範囲に包含される。

表１に示す成分組成のアルミニウム合金ビレットＡを造塊し、４７０℃６時間の均質化処理を行った。室温まで空冷した後、ビレット温度４８０℃、ダイス温度４５０℃、コンテナ温度４５０℃、押出比６０．９、押出速度４ｍ／分で押出加工を行い、断面形状を厚さ３ｍｍ、幅１１０ｍｍの平板とした。その後、人工時効処理として、一般的な７０００系アルミニウム合金のＴ７条件である７０℃×５時間＋１６５℃×６時間の熱処理を行った。得られたアルミニウム合金押出材に対して、以下に示す引張試験および耐応力腐食割れ性試験を行った。

＜引張試験＞
アルミニウム合金押出材からＪＩＳ１３Ｂの試験片を引張方向が押出方向（Ｌ方向）と平行になるように各２本切出し、ＪＩＳＺ２２４１に規定する金属材料試験方法に準じて引張試験を行い、引張強さ、耐力および伸びを測定した。

＜耐応力腐食割れ性試験（クロム酸促進試験）＞
アルミニウム合金押出材に応力を３点曲げ方式にて負荷した。応力負荷方向は横方向（ＬＴ方向）で、負荷応力水準は、それぞれの人工時効処理後の耐力に対して１００％を負荷した。その後、各２本ずつクロム酸沸騰溶液中に浸漬して２時間おきに１６時間まで目視観察を行い、いずれも割れが生じなかった最長時間を割れ寿命とした。表２に結果を示す。なお、１６時間経過後も割れが認められなかったものは、割れ寿命の欄に「１６」と記載した。

表２の結果より、次のように考察できる。表２の試験Ｎｏ．１は、いずれも本発明の実施形態で規定する要件を満足しており、フレーム材として十分な強度（耐力２６０ＭＰａ以上）を有するとともに、割れ寿命が少なくとも１２．５時間以上であり、耐応力腐食割れ性が改善されていた。
一方、表２の試験Ｎｏ．２～６は、いずれも本発明の実施形態で規定する要件（Ｚｎ／Ｍｇの質量比２．９２～４．３５または８．９４～９．１２）を満たしておらず、耐力が２６０ＭＰａ未満であるか、または割れ寿命が１２．５時間未満であった。

Claims

成分組成が、
Ｚｎ：３．０～６．０質量％、
Ｍｇ：０．４～１．４質量％、
Ｆｅ：０．０５～０．２質量％、
Ｃｕ：０．０５～０．２質量％、
Ｔｉ：０．００５～０．２質量％、
Ｚｒ：０．１～０．３質量％、および
残部：Ａｌおよび不可避不純物からなり、
Ｚｎ／Ｍｇの質量比が２．９２～４．３５または８．９４～９．１２である、アルミニウム合金押出材。
前記Ｚｎ／Ｍｇの質量比が３．１５～４．００である、請求項１に記載のアルミニウム合金押出材。
耐力が２６０ＭＰａ以上である、請求項１または２に記載のアルミニウム合金押出材。
前記耐力が２７０ＭＰａ以上である、請求項３に記載のアルミニウム合金押出材。